„Złote zasady” konstruowania mas atomowych

Model zegara pokazuje wyrównanie rotacji wskazówki godzinowej (górna hBN), wskazówki minutowej (środkowy grafen) i wskazówki sekundowej (dolna hBN). Połączenie górnego hBN, środkowego grafenu i dolnego hBn skutkuje super-pofałdowaną strukturą siatkową w środku zegarka. Źródło: Narodowy Uniwersytet Singapuru

Fizycy opracowali technikę precyzyjnego wyrównywania sieci ultrafalowych, rewolucjonizując możliwości falowej materii kwantowej nowej generacji.

Fizycy z Narodowego Uniwersytetu w Singapurze (NUS) opracowali technikę precyzyjnego kontrolowania ustawienia falistych supersieci za pomocą zestawu złotych zasad, torując drogę nowej generacji falistej materii kwantowej.

Zaciski Supermoiré

Wzory mory powstają, gdy dwie identyczne struktury okresowe nakładają się na siebie ze względnym kątem skręcenia między nimi lub dwie różne struktury okresowe, ale nakładają się na siebie z kątem skręcenia między nimi lub bez. Kąt skręcenia to kąt pomiędzy orientacjami krystalograficznymi dwóch struktur. Na przykład kiedy Grafen Sześciokątny azotek boru (hBN) to materiał warstwowy ułożony jedna na drugiej, a atomy w obu strukturach nie układają się idealnie, tworząc wzór prążków interferencyjnych, zwany wzorem mory. Prowadzi to do rekonstrukcji elektronicznej.

Wzór mory w grafenie i hBN wykorzystano do stworzenia nowych struktur o egzotycznych właściwościach, takich jak prądy topologiczne i stany motylkowe Hofstadtera. Kiedy dwa wzory mory zostaną ułożone razem, powstaje nowa struktura zwana siatką mory. W porównaniu z tradycyjnymi materiałami z pojedynczej tektury falistej, ta siatka superfałowa rozszerza zakres przestrajalnych właściwości materiału, umożliwiając potencjalne wykorzystanie w znacznie szerszym zakresie zastosowań.

Osiągnięcia Wydziału Fizyki Uniwersytetu NUS

Zespół badawczy kierowany przez profesora Ariando z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Narodowego w Singapurze opracował technikę, dzięki której udało się uzyskać kontrolowane wyrównanie sieci supermoiré hBN/grafen/hBN. Technika ta pozwala na precyzyjne ułożenie dwóch wzorów mory, jeden na drugim. W międzyczasie badacze sformułowali także „złotą zasadę trzech”, która kieruje wykorzystaniem ich techniki do tworzenia sieci super-ripple.

Wyniki opublikowano niedawno w czasopiśmie Komunikacja przyrodnicza.

Artystyczna ilustracja supersieci ze skręconymi narożnikami (θt i θb) utworzonymi pomiędzy grafenem a górną warstwą sześciokątnego azotku boru (T-hBN) i dolną warstwą sześciokątnego azotku boru (B-hBN). Niewielkie przesunięcie powoduje utworzenie superfalistego wzoru siatki. Źródło: Komunikacja przyrodnicza

Wyzwania i rozwiązania

Istnieją trzy główne wyzwania związane z tworzeniem ultrafalującej sieci grafenowej. Po pierwsze, konwencjonalne ustawienie optyczne opiera się w dużej mierze na prostych krawędziach grafenu, ale znalezienie odpowiedniej płytki grafenowej jest czasochłonne i pracochłonne; Po drugie, nawet jeśli użyta zostanie próbka grafenu o prostych krawędziach, prawdopodobieństwo otrzymania podwójnie wyrównanej siatki superripple wynosi 1/8, ze względu na niepewność asymetrii krawędzi i symetrii sieci. Po trzecie, chociaż można określić symetrię krawędzi i symetrię siatki, błędy wyrównania są często duże (większe niż 0,5°), ponieważ dopasowanie dwóch różnych materiałów siatki jest fizycznie trudne.

Dr Junxiong Hu, główny autor artykułu badawczego, powiedział: „Nasza technologia pomaga rozwiązać rzeczywisty problem. Kilku badaczy powiedziało mi, że pobranie próbki zajmuje zwykle około tygodnia. Dzięki naszej technologii mogą nie tylko znacznie skrócić czas produkcji, ale także znacznie usprawnić Dokładność próbki.”

Wglądy artystyczne

Naukowcy początkowo stosują „technikę rotacji o 30 stopni”, aby kontrolować wyrównanie górnych warstw hBN i grafenu. Następnie stosują „technikę inwersji”, aby kontrolować wyrównanie górnych i dolnych warstw hBN. W oparciu o te dwie metody mogą kontrolować symetrię sieci i dostrajać strukturę pasmową supersieci grafenowej. Wykazano również, że sąsiadująca krawędź grafitowa może służyć jako wskazówka przy układaniu stosów. W tym badaniu wytworzono 20 próbek mory z dokładnością lepszą niż 0,2 stopnia.

Profesor Ariando powiedział: „Ustaliliśmy trzy złote zasady dotyczące naszej technologii, które mogą pomóc wielu badaczom ze społeczności zajmującej się materiałami 2D. Oczekuje się, że nasza praca przyniesie także korzyści wielu naukowcom pracującym nad innymi silnie połączonymi systemami, takimi jak dwuwarstwowy grafen skręcony pod magicznym kątem lub wielowarstwowy grafen ułożony w stos ABC. Mam nadzieję, że dzięki temu udoskonaleniu technicznemu przyspieszy to rozwój nowej generacji falowej materii kwantowej.

Przyszłych przedsięwzięć

Obecnie zespół badawczy wykorzystuje tę technologię do wytworzenia jednowarstwowej sieci super-falującego grafenu i zbadania unikalnych właściwości tego układu materiałów. Co więcej, rozszerzają obecną technikę na inne układy fizyczne, aby odkryć inne nowe zjawiska kwantowe.

Odniesienie: „Kontrolowane wyrównanie siatki superfalowej w podwójnie wyrównanych heterostrukturach grafenu” autorstwa Junxiong Hu, Junyou Tan, Mohamad M. Al Ezzi, Udvas Chattopadhyay, Jian Gou, Yuntian Zheng, Zihao Wang, Jiayu Chen, Reshmi Thottathil, Jiangbo Luo, Kenji Watanabe , Takashi Taniguchi, Andrew Thi Chien Wei, Shafik Adam i A. Ariando, 12 lipca 2023 r., Komunikacja przyrodnicza.
doi: 10.1038/s41467-023-39893-5